預應力張弦梁鋼支撐在某基坑工程中的應用

張小芳 程磊 王賢能 莫莉

（深圳市工勘巖土集團有限公司）

基坑支護系統中的內支撐，一般分為混凝土支撐和鋼支撐。混凝土支撐剛度大，支撐間距較大，但施工工期較長[1]。傳統鋼支撐的施工速度快，但剛度低，支撐間距較密，支撐間距往往達不到15m，這樣的空間明顯不利于土方的開挖和地下室的施工。張弦梁鋼支撐系統能夠在確保基坑周邊安全和合理變形值的情況下，加大支撐間距以獲得更大的地下施工空間，能縮短工期又滿足日益增長的環保要求。張弦梁的結構剛度大，基坑變形小，支撐間距大，撐間凈距目前最大可達42m，具有可回收重復使用的優點，土方開挖空間大，且在控制支護體變形時可預加力、補償加力，因此在基坑支護工程中有較好的應用前景[2]。

近年來，隨著“綠色低碳環保”的發展理念日益滲入，建筑行業也在尋求實現綠色發展的可行模式。而在基坑工程的開挖過程中，混凝土支撐在滿足布置靈活、剛度大、整體性好的同時，也帶來碳排放量較高、施工噪音較大、揚塵不可避免的環保問題；張弦梁鋼支撐系統采用預制構件，構件受力明確，安全性能好[3]，且具有構件可回收重復利用、施工噪音小、無揚塵的優點，契合了“綠色低碳環保”的發展理念。目前已在福建省、江西省、廣東省、江蘇省等地區有多個成功的應用案例[4]。

1 預應力張弦梁鋼支撐的特點

1.1 鋼支撐系統

張弦梁鋼支撐系統由張弦梁系統、桁架支撐系統、預應力施加系統和支架系統組成。主要包括混凝土冠梁/腰梁、張弦梁、桁架對撐、桁架角撐、預應力施加裝置等水平支撐結構和支架梁、立柱、約束構件等豎向支撐結構。

如圖1 所示，張弦梁鋼支撐系統利用張弦梁大跨度承受橫向荷載的結構特性，與桁架鋼支撐的大剛度性能相結合，具備了大跨度、大剛度的優勢，整個系統的支撐構件數量也遠少于傳統支護系統，優化了施工空間。

圖1 張弦梁鋼支撐基坑系統構造示意圖

1.2 張弦梁系統

張弦梁支護系統以鋼筋混凝土冠梁/腰梁為上弦構件，屬于剛性構件；下弦以實心鋼拉桿為拉索，屬于柔性構件；腹桿為帶活絡頭的鋼支撐。如圖2 所示，張弦梁系統的受力原理為：鋼拉桿錨入混凝土冠梁或腰梁進行鎖定，通過腹桿活絡頭的千斤頂給鋼拉桿施加拉力，使混凝土冠梁或腰梁形成反撓度，以此構成張弦梁的自平衡受力體系。

圖2 張弦梁受力體系示意圖

1.3 張弦梁在基坑工程應用的優點

張弦梁鋼支撐系統在深基坑工程中的應用是比較成功的，目前僅在深圳地區10m 以上的基坑就有多個工程應用實例，且各項指標均能達到其使用效果，充分發揮了張弦梁鋼支撐的優點與適用性，使其在“綠色低碳環保”的趨勢下得以迅速推廣。

1.3.1 結構體系受力簡單

張弦梁鋼支撐系統的結構組件較為精簡，能充分發揮剛柔兩種材料的優勢[5]，利用混凝土梁作為上弦構件，下弦采用實心鋼拉桿，腹桿、弦桿均采用銷接，受力明確，構造簡單[6]，提高了施工安裝效率，縮短安裝工期。此外，裝配式張弦梁鋼支撐系統沒有冗余構件，可有效減少支撐立柱的數量，為基坑開挖提供較大空間，開挖工期可縮短至30%及以上，進一步提高施工效率。

1.3.2 桁架支撐系統的安全性

張弦梁鋼支撐系統的桁架支撐系統一般采用H588×300～H800×300 的型鋼型號，H 型鋼的上下翼板均設置間距不超過3m 的綴板，提高了桁架支撐平面的截面模量，壓屈性能也隨之提高，保證了桁架支撐系統的大剛度，組裝完成后每榀對撐/角撐桁架的寬度在7.8m～8m之間，可承受4000～5500T的壓力。當張弦梁鋼支撐系統跨度內的土壓力傳遞到桁架支撐系統（對撐/角撐）時，支撐系統再將土壓力向基坑兩邊抵消[1]，桁架支撐系統的大剛度為整個張弦梁鋼支撐系統的自平衡體系提供了安全性和可靠性。

1.3.3 預應力施加及實時監測

張弦梁鋼支撐系統在基坑工程中，在腹桿和組合桁架支撐的端部采取前伸臂結構與現澆筑混凝土梁的活絡頭搭接，直接在受壓腹桿和H 型鋼端部用千斤頂施加預應力，在支撐梁進行軸力監測，預應力大小可精準控制；并設置多點加力，使系統構件受力分布均勻。由于張弦梁結構的對稱性，一般施加預應力時先按張弦梁左右對稱的兩根腹桿成對同步施加相同大小的預應力，再成對施加對撐預應力[7]，使其受力系統達到自平衡。張弦梁鋼支撐系統在立柱上進行豎向位移監測，能實時預警，對支護結構和周邊環境的保護對象及時采取措施。

1.3.4 實現綠色低碳環保的施工理念

鋼支撐在基坑工程中的應用已有數十年的歷史，近年來鋼支撐可循環利用的特性也使其在綠色低碳發展的趨勢下得到廣泛認可。張弦梁鋼支撐系統的型鋼材料目前主要為特制改進過的預制構件，現場安裝效率高，無揚塵，噪音小；張弦梁預制構件在支撐布局的合理設計下，能比同類鋼支撐的用鋼量大幅減少，且張弦梁在拆撐后可回收重復利用，實現了現代施工的綠色、低碳、環保的施工理念。

2 預應力張弦梁鋼支撐的受力分析

2.1 張弦梁鋼支撐的受力分析

張弦梁的受力體系通常是對下弦拉索施加預應力，通過撐桿對上部剛性構件產生豎向支撐力，改善上部構件的內力幅值與分布，減小了由外荷載產生的內力和變形。張弦梁是典型的剛、柔并存結構，不僅充分利用了拉索的高強度性能，且通過帶預應力的拉索改變結構的受力性能。且張弦梁的加力狀態比較具有獨特性，是采用直桿多點加力的加力形式，使桿件受力分布更均勻。

如圖3 所示，當基坑達到穩定平衡狀態時，上弦桿所受內力主要是彎矩、剪力和壓力，下弦桿主要承受拉力，中間直桿主要承受的是壓力[2]。

圖3 張弦梁受力簡圖

2.2 預應力張弦梁的受力分析

如前所述，張弦梁鋼支撐的預應力是通過腹桿靠近上弦混凝土梁的端部千斤頂進行施加的。如圖4 所示，當基坑開挖時，土壓力使張弦梁的上弦構件受到一定的壓應力、彎矩和剪應力，而下弦構件能夠將上弦、腹桿傳遞給它的力抵消到梁的兩端，由此與土壓力制衡，形成自平衡體系，從而有效控制基坑變形和內力分布。

圖4 預應力張弦梁在土壓力下的受力簡圖

3 基坑工程應用實例

3.1 工程概況

某基坑場地位于深圳市光明區公明中心區，如圖5所示，基坑處于公明北環大道和曙光路交匯處，東北面鄰近龍大高速路，交通便利。基坑側壁主要土層為素填土、雜填土、黏土、淤泥質黏性土、粗砂、淤泥質中砂、粉質黏土、全風化泥質粉砂巖等，基坑底土層為淤泥質黏性土及全強風化巖。

圖5 基坑支護結構現場及周邊環境

本基坑地下室呈多邊形，擬建2 層地下室，基坑總周長約570m，基坑平面面積約14780m2，基坑開挖深度約9.1～10.1m。基坑周邊環境較復雜，基坑周邊埋設有燃氣管、通信管線、電力管線、雨水管、污水管等管線；東側、北側均臨近市政道路，西南側臨近廠房，基坑邊線距離建筑物輪廓線約3.1～6.5m。

3.2 支護方案對比

本基坑原設計方案為混凝土內支撐支護，采用咬合樁+鋼筋混凝土內支撐。結合基坑場地的地質條件、周邊環境、工期造價等因素，將混凝土內支撐方案與張弦梁鋼支撐支護方案進行對比，造價方面張弦梁鋼支撐方案為混凝土內支撐方案的68%；地質條件下伏基巖為花崗巖，硬度大，張弦梁鋼支撐的土方開挖效率比混凝土內支撐方案提高了30%。如表1 所示，對混凝土內支撐方案與張弦梁鋼支撐方案進行對比，可以看出張弦梁鋼支撐方案在安裝工期、安全性能、施工空間和綠色環保方面均有一定優勢。

表1 支護方案對比分析

預應力張弦梁鋼支撐系統的基坑布置剖面如圖6所示，原設計的混凝土內支撐方案如圖7 所示。通過張弦梁大跨度承受橫向荷載的結構特性，使整個系統的支撐構件數量遠少于傳統支護系統，優化了施工空間。

圖6 張弦梁鋼支撐方案平面圖

圖7 混凝土支撐方案平面圖

綜合考慮，結合場地周邊環境，該基坑項目西北角尺寸較小，采用鋼筋混凝土支撐，其余區段均采用預應力張弦梁鋼支撐結構。第一道內支撐角撐采用鋼筋混凝土支撐作為堆載平臺及臨時施工場地。基坑典型支護剖面如圖8所示。

圖8 基坑支護剖面圖

3.3 支撐截面信息

本基坑項目的對撐組合型鋼采用2HN800×300×14×26，承載力相比1.0m×1.2m 混凝土支撐梁（C30）提高21.3%。角撐型鋼采用2～3HN800×300×14×26，承載力相比1.0m×1.2m 混凝土支撐梁（C30）提高53.6%。如表2 所示，張弦梁的腹桿采用RST350×400×14×14的鋼撐桿，下弦采用φ150 的Q650 高強拉桿，整個鋼支撐系統剛度大，性能穩定。

表2 張弦梁鋼支撐構件截面表

3.4 張弦梁鋼支撐軸力監測

與系桿拱、魚腹桁架相比，張弦梁鋼支撐結構最主要的特征是：利用施加的預應力控制上弦受彎構件的彎矩分布，以抵消基坑開挖施加在混凝土冠梁（上弦）的位移變形量，因此對張弦梁鋼支撐的軸力進行實時監測，能夠達到有效控制基坑變形的目的。

根據計算得到基坑開挖至張弦梁鋼支撐施工平面時混凝土冠梁（上弦）的最大位移值，以消除冠梁上的位移為目標來分析確定預應力鋼支撐的預應力施加值，第一工況為考慮施加預應力至抵消最大位移值所確定預應力施加值；第二工況為基坑開挖下土壓力荷載分布的工況，第三工況為考慮季節、晝夜溫差對結構的影響。通過施工過程的分析，定義四個組合來計算分析鋼支撐的剛度、強度和穩定性及基坑變形。

組合一：1.30*恒載+1.0*預應力荷載+1.25*土壓力+1.5*0.9活載

組合二：1.30*恒載+1.0*預應力荷載+1.25*土壓力+1.0*升溫荷載+1.5*0.9活載

組合三：1.0*恒載+1.0*預應力荷載+1.0*土壓力+1.0*活載

組合四：1.0*恒載+1.0*預應力荷載+1.0*土壓力+1.0*升溫荷載+1.0*活載

上述組合中，組合一及組合二用于驗算鋼支撐的強度和穩定，組合三至組合四用于控制基坑變形[8]。根據上述組合分別計算鋼結構的構件內力值，當基坑開挖到設計標高時，根據組合三和四來驗算鋼結構的構件內力值，其最大值和最小值如表3所示。

表3 鋼支撐單元的軸力計算結果

根據本基坑項目現場布置的張弦梁鋼支撐軸力監測點，得到鋼支撐構件所受軸力隨時間的曲線變化（圖9），可以看到隨著晝夜溫度的變化，鋼支撐構件的軸力分布呈現周期性的升降規律，且最小值和最大值維持在一個固定值內，與計算結果相吻合。

圖9 張弦梁鋼支撐軸力監測點變化曲線

3.5 基坑變形監測

本項目布置了基坑位移監測控制點和內力監測控制點，施工過程中實時監測基坑位移變化，并保證施工過程中基坑最大位移在30mm 范圍內。本次選取部分基坑監測點進行研究，選取的監測點布置如圖10所示。

圖10 基坑監測點布置平面圖

⑴基坑沉降曲線。本基坑項目以冠梁最大位移30mm為控制值，在冠梁處選取7 個控制監測點，監測結果如圖11 所示，可以看到冠梁最大位移為9.6mm（要求＜30mm），滿足位移控制要求。

圖11 基坑沉降監測點累計沉降變化曲線

⑵樁頂水平位移曲線。本基坑項目西南側基坑安全等級為一級，其余側基坑安全等級為二級，要求樁頂部水平位移監測預警值在30mm以內，監測結果如圖12，實際測得的水平位移為23.2mm，符合位移控制要求。

圖12 樁頂水平位移累計沉降變化曲線

⑶周邊建筑沉降曲線。基坑工程周邊建筑物重要角點監測預警值為30mm，監測結果如圖13。周邊管線的沉降實際測得最大值為11.6mm，滿足位移控制要求。

圖13 建筑物沉降監測點累計沉降變化曲線

4 張弦梁鋼支撐在基坑工程中應注意的問題

如前所述，張弦梁鋼支撐系統在基坑工程應用中有諸多優點，但同時也需了解其在基坑工程應用中應注意的問題，才能更好地揚長避短，使張弦梁鋼支撐支護系統在基坑工程中最大限度地發揮它的優勢。

4.1 弦高比

目前張弦梁鋼支撐的跨度最大可達42m，從結構力學角度分析，張弦梁作為一種平面梁式結構，其主要受力特點是抗彎能力，抵抗彎矩的大小與張弦梁的弦高比有關，也是發揮其經濟性能的重要指標。弦高比越高，經濟性能越高，基坑開挖空間也相應越大，但張弦梁的變形值須滿足基坑等級相對應的容許變形值，目前兼顧變形指標和經濟性能的張弦梁弦高比為3～5。

4.2 支撐構件的選取與安裝節點的處理

傳統鋼支撐結構多采用鋼圍檁，端頭鋼圍檁與圍護結構間抗剪強度不足，容易造成圍檁整體滑動，以致基坑失穩。張弦梁鋼支撐組合系統一般采用混凝土冠梁作為上弦構件，充分發揮混凝土的抗彎剛度，能與下弦的張弦梁鋼支撐結構組合形成可靠的受力系統。安裝節點處一般采用前伸臂，作為反牛腿擱置在冠梁上為鋼支撐提供支點，提高鋼支撐的安全度。安裝時，待張弦梁撐桿、鋼拉桿安裝就位且邊桿角度復核無誤后，再采用C60 混凝土進行二次灌漿施工，保證混凝土冠梁與鋼支撐的緊密結合，提高整個剛柔體系的強度和可靠性。

4.3 桿件重心水平標高控制

平面張弦梁的下弦拉索水平拉力由上弦梁受壓平衡，故豎向荷載（土壓力）作用下，張弦梁結構只傳遞豎向力給下部支撐結構，并不傳遞水平力[9]，因此張弦梁鋼支撐的大剛度、施工的簡單方便性是建立在構件受力明確的基礎上的，這就要求各桿件在水平標高應嚴格控制在一定范圍值內，才能使桿件預應力與基坑開挖形成的土壓力形成互相抵消的自平衡體系，否則張弦梁支撐體系會產生很大的次彎矩，會引起張弦梁鋼支撐失穩甚至破壞。

4.4 張弦梁預應力的取值與加力形式

如前所述，張弦梁鋼支撐施加預應力的作用是抵消土壓力線荷載作用下產生的彎矩，使結構形成反撓度。但是預應力過大會使拱梁產生額外的軸向壓力，對用鋼量也有更多要求；預應力過小則會讓弦索失去拉力而使撐桿失效，因此預應力的取值是張弦梁鋼支撐系統保持良性工作狀態的關鍵[10]。目前在方案階段一般考慮結構自重、張弦梁的弦高比等因素綜合確定張弦梁鋼支撐的初始預應力施加值[11]，當基坑開挖到一定深度時還需考慮土壓力線荷載作用下的預應力附加值。此外，預應力的施加也應采用多點加力、對稱加力，千斤頂通常設置在腹桿端部，使構件加力均勻；以張弦梁中心線為對稱軸進行對稱加力，可以保證張弦梁自平衡系統的穩定性，對結構桿件保持水平高度一致性也有保護作用。

5 結論

預應力張弦梁鋼支撐系統具有結構體系受力簡單、桁架支撐系統安全、可施加預應力及實時監測、施工效率高、綠色低碳等優點，實現結構力學上的“剛柔并濟”與工程施工效率高、工期縮短的完美結合，從而發揮其降低施工成本的經濟價值。

在基坑變形監測方面，預應力張弦梁鋼支撐能夠將張弦梁內力監測系統與基坑沉降、樁頂位移等監測指標相結合，實現對基坑變形的實時調節，解決了傳統內支撐系統一旦發生較大變形便難以控制的難題，也發揮了現代施工中實時監測技術帶來的智慧施工的優點。

綜上所述，預應力張弦梁鋼支撐系統因其諸多優點，能夠切實有效地貫徹當下工程施工的綠色、低碳、智慧監測等理念，在基坑工程中得到較好的推廣和應用。